Linux入门DAY36（TCP 并发服务器）

#TCP 并发；#多进程；#多线程；#线程池；#IO 多路复用；#select；#epoll

前言

TCP 协议是面向连接的流式传输协议，基础单循环 TCP 服务器逻辑简单：socket→bind→listen→accept→收发数据→close，但是accept之后同一时间只能处理一个客户端连接，当第二个客户端接入时必须等待上一个客户端断开连接，服务能力严重受限。

为实现一台服务器同时和多个客户端通信，需要构建TCP 并发服务器。UDP 本身基于无连接，recvfrom 可以直接接收任意客户端报文，天然具备并发能力；TCP 需要额外并发模型来处理多路连接。常见 4 种实现方式：多进程模型、多线程模型、线程池模型、IO 多路复用模型。

1 单循环 TCP 服务器（非并发）

单循环服务器：服务器处理完一个客户端全部通信，断开之后，才会再次调用accept接收下一个客户端。

• 缺点：无法同时服务多个客户端；一个客户端长时间占用连接，其他客户端全部阻塞等待。
• 适用场景：设备连接数量极少的简单场景。

2 多进程并发服务器

2.1 实现思路

伪代码示例

int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
bind(sockfd,…);
listen(sockfd,20);
while(1){
int connfd = accept(sockfd,NULL,NULL);
pid_t pid = fork();
if(pid > 0){
//父进程
close(connfd);
}else if(pid == 0){
//子进程，处理客户端业务
close(sockfd);
while(1){
recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);
send(connfd,buf,len,0);
}
close(connfd);
exit(0);
}
}

优缺点

✅优点：进程之间资源完全隔离，一个客户端异常崩溃不会影响其他客户端；稳定性高。 ❌缺点：

3 多线程并发服务器

3.1 实现思路

伪代码示例

void *client_handle(void *arg){
int connfd = *(int*)arg;
free(arg);
char buf[1024]={0};
while(1){
recv(connfd,buf,sizeof(buf),0);
send(connfd,buf,strlen(buf),0);
}
close(connfd);
pthread_exit(NULL);
}

int main(void){
int sockfd = socket(AF_INET,SOCK_STREAM,0);
bind(sockfd,…);
listen(sockfd,20);
while(1){
int *pfd = malloc(sizeof(int));
*pfd = accept(sockfd,NULL,NULL);
pthread_t tid;
pthread_create(&tid,NULL,client_handle,pfd);
pthread_detach(tid); //设置分离属性
}
return 0;
}

优缺点

✅优点：

4 线程池并发服务器

4.1 背景

多线程模型每当客户端连接到来就创建线程，客户端断开销毁线程。高频连接场景，频繁创建销毁线程会带来 CPU 开销。

线程池：生产者‑消费者模式。

• 主线程（生产者）：调用accept接收客户端连接，把客户端connfd放入任务队列；
• 工作线程（消费者）：线程启动时预先创建 N 个工作线程，阻塞读取任务队列，拿到connfd之后处理客户端收发业务。

优缺点

✅优点：线程预先创建，避免频繁创建销毁线程的开销；可控制最大并发线程数量，防止系统资源耗尽。 ❌缺点：需要实现线程安全的任务队列，需要互斥锁、条件变量完成队列同步，代码逻辑复杂。

5 IO 多路复用（select/poll/epoll）

5.1 核心思想

IO 多路复用：单个进程 / 线程，不创建进程、线程，由内核同时监视多个文件描述符 IO 事件（读、写、异常）。 当某个文件描述符发生可读 / 可写事件，内核通知应用程序，应用程序再去执行读写操作。 监视对象包含：监听套接字sockfd、各个客户端通信套接字connfd。

5.2 select

select将待监测的文件描述符集合传递给内核，内核阻塞等待，当集合中任意 fd 发生 IO 事件，返回就绪事件数量；用户态遍历集合判断哪个 fd 就绪。

关键宏：

• FD_ZERO：清空 fd 集合
• FD_SET：把 fd 加入集合
• FD_CLR：从集合移除 fd
• FD_ISSET：判断 fd 是否就绪

函数原型：

int select(int nfds, fd_set *readfds, fd_set *writefds, fd_set *exceptfds, struct timeval *timeout);

参数说明：

返回值：就绪事件 fd 的个数；超时返回 0；出错返回‑1。

select 编程逻辑

5.3 poll

select 存在文件描述符数量上限限制，poll 优化该问题，使用数组保存待监控 fd，原理和 select 类似。

5.4 epoll

Linux 独有 IO 多路复用，性能最优，适合高并发大量连接场景。 工作流程：

IO 多路复用优缺点

✅优点：无需大量创建进程线程，内存占用低，单机可以支撑上万并发连接； ❌缺点：编程逻辑复杂；select 有 fd 上限；epoll 属于 Linux 平台特有，可移植性差。

小结

表格

补充：UDP 通信天然并发，不需要以上并发模型；TCP 面向连接，每一个客户端对应一个 connfd，必须借助上面模型实现多客户端同时服务。